探测引力波的若干往事


原文首发蝌蚪网,之后我又稍加增添,转发在此。

一流的学术研究成果,也许暂时没有太多实际用途,但是一旦与娱乐结合,肯定能丰富人们的精神生活。比如说,把量子力学、广义相对论和宇宙学与相声和小品结合起来, 应该能提升春晚的内涵。

最近物理学界最热门的八卦新闻就是引力波被发现了。之所以说是“八卦新闻”,是因为还未得到官方LIGO实验组的证实。但这个“谣言”已经让《科学》和《自然》杂志网站都坐不住了,纷纷做了报道。尤其是《科学》的报道已经很明确的说LIGO已经发现了引力波,且所发现的引力波来自两个黑洞融合的过程,其中一个黑洞为29个太阳质量,另外一个为36个太阳质量,融合之后的黑洞质量为62个太阳的质量。这个实验将会在2月11日的《自然》杂志上发表。

引力波的发现,从天文或者宇宙学角度看,类似于发现微波背景辐射; 从物理学角度,类似于当年从实验上证实电磁波的存在。据说当年刚发现电磁感应时,面对质疑,法拉第说,一个刚出生的婴儿,你不知道未来他会有如何广大的前程。电磁波就是当年的婴儿,现在的巨人。未来引力波是否跟电磁波一样有重大的应用价值,很难预测,但可以想象。更何况 引力波现在处于即将临盆的状态,还不是婴儿呢!

我们中国的物理学界也对此激动不已。大过年的,“蝌蚪五线谱”网站的编辑张轩中连续发了两篇科普新闻,先用高中物理计算了两个等质量黑洞融合时所发射引力波的频率,然后又发现这个频率与单个黑洞的霍金辐射的频率只差一个常数,在同一量级。他甚至猜想这个引力波辐射与霍金辐射有类似的根源。背后的物理在哪里呢?在我看来,背后的物理很简单:霍金辐射的平均波长与黑洞的尺度同一量级,而黑洞融合时,两黑洞相互旋转的轨道间距也是这个尺度。所产生的引力波虽然以光速传播,但太靠近黑洞了,应该会被吸收。何时才无法被吸收呢?与霍金辐射类似,当引力波的波长与两个黑洞旋转轨道半径相等或者更长时,就会辐射出去,没法被黑洞吸收了。可见,引力波波长与霍金辐射的光波波长是同一量级,它们的频率也是差不多的。

笔者并非黑洞物理学或者引力波的专家,但是由于研究光力学,对引力波的实验探测也一直都很关注。据我所知,对引力波的实验探测立项有三十多年了。在1981年,加州理工的C. M. Cave写过一篇理论文章,深入的分析了如果要用迈克尔逊干涉仪来探测引力波,所要客服的各种噪声,他还讨论了量子噪声对测量的影响。这篇论文成为了后来LIGO项目的立项重要基础之一,当时Caves刚刚博士毕业两年(导师是Kip S. Thorne),已经完成了如此重要而系统研究,真是英雄出少年。在学术上要迅速成长,一定要尽早参与或者承担最前沿而重要的科研项目。

Caves的理论认为,要提升干涉仪的灵敏度,最好能把干涉仪的镜子质心振动态做到量子压缩态,这样可以突破其对位置的测量精度的量子极限。而要实现这一点,需要我们在实验上制备出量子压缩光。面对理论上的需求,实验家们很快行动起来。当时,吴令安彭堃墀肖敏等人正好在德州大学奥斯丁分校的Jeff Kimble组念博士(访问学者),他们一起,最早实现了压缩光源,这个技术最近已经应用到了引力波探测中。后来吴令安回到了中科院物理所做研究员,一直从事量子光学的研究,较早的演示了量子保密通讯以及鬼成像等。彭堃墀回到了山西大学,创立了山西大学光电研究所,进一步的优化压缩光源,他们做的压缩光一直处于世界前列。彭堃墀后来被评为中科院院士。肖敏后来在美国阿肯色州立大学做教授,2009年,受国家“千人计划”的资助在南京大学创立了一个研究组,研究量子光学相关的课题。引力波探测这个项目,间接的促进了3位中国物理学实验专家的迅速成长。不仅如此,以这个项目作为背景,人们对光与宏观机械振子之间的相互作用产生了浓厚的兴趣,所发展的相关技术,为实现宏观系统的量子叠加态提供了重要的技术支撑。

1984年,在加州理工的Kip S. Thorne教授等人推动下,探测引力波的LIGO开始启动,这是美国的自然科学基金会资助力度最大的一个项目。项目一直持续了30多年,现在终于结出了硕果。Thorne是费曼的师弟,惠勒的学生,他31岁就当选美国科学院院士。如此年轻就获得了他人需要奋斗半辈子的荣誉,使得他能够在四十出头就有足够的影响力来推动LIGO项目。他也是与科普以及科幻联系很紧密的物理学家。在1985年,他就帮助卡尔. 萨根在其科幻小说《超时空接触》中提出用虫洞来实现星际旅行。这本小说后来在1997年拍成同名的电影,影响很大。Thorne本人,则撰写了数篇学术论文,论证了虫洞如何才能稳定的存在。后来他对虫洞一直念念不忘。在2009年退休后,他深入的参与电影《星际穿越》,把虫洞这个理论上的模型在电影荧幕上精准的表现了出来。

在我看来,Thorne之所以一直与美国科普以及科幻界保持密切的联系,某种程度上也是为了公共宣传,树立正面的形象,从而给LIGO项目筹集所需的资金。确实,要说服公众花钱去观察若干光年之外、与我们的现实生活毫无关系的黑洞融合所发射出的引力波是很难的。Thorne 通过多年来与科幻电影的深度合作,把相关的科学概念无缝植入了电影等媒介中,润物细无声的影响了公众,为LIGO项目持续的获得充足的资金资助做出了重要的贡献。如果我们中国要做一个类似的研究项目,一流的科学家们要主动的走出来,与媒体以及娱乐圈合作,将科学与电影电视等娱乐产品融合起来。一流的学术研究成果,也许暂时没有太多实际用途,但是一旦与娱乐结合,肯定能丰富人们的精神生活。比如说,把量子力学、广义相对论和宇宙学与相声和小品结合起来, 应该能提升春晚的内涵。

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